Теория Большого взрыва является ведущим объяснением того, как возникла Вселенная. Проще говоря, Вселенная, какой мы ее знаем и видим, родилась из бесконечно горячей и плотной точки, называемой сингулярностью. В один момент она «взорвалась» — раздулась и растянулась. В первые мгновения этот процесс происходил с невообразимой скоростью, а затем, по мере охлаждения пространства, замедлился, но не прекратился, и происходит последние 13,8 млрд лет.
Существующие технологии еще не позволяют астрономам в буквальном смысле взглянуть на рождение Вселенной. Многое из того, что мы знаем о Большом взрыве, исходит из математических формул и моделей. Однако астрономы могут увидеть «эхо» расширения через явление, известное как космический микроволновый фон.
Помимо Большого взрыва, есть и альтернативные объяснения возникновения Вселенной — такие как вечная инфляция или колеблющаяся Вселенная.
Большой взрыв: рождение Вселенной
Около 13,7 млрд лет назад все было сконцентрировано в бесконечно малой сингулярности, точке бесконечной плотности и тепла. Внезапно началось взрывное расширение, раздувшее нашу Вселенную вовне со скоростью, превышающей скорость света. Это был период космической инфляции, продлившийся всего 10-32 секунды, согласно теории физика Алана Гута 1980 года, которая навсегда изменила наши представления о Большом взрыве.
Когда космическая инфляция подошла к внезапному и все еще загадочному концу, закрепились более классические описания Большого взрыва. Поток материи и излучения, известный как «повторный нагрев», начал заселять нашу Вселенную барионной материей.
По данным NASA, все это произошло всего за первую секунду после возникновения Вселенной, когда температура была еще невообразимо высокой — около 5,5 млрд градусов по Цельсию. Космос содержал огромное количество фундаментальных частиц, таких как нейтроны, электроны и протоны — «сырье», которое станет строительным материалом для всего вещества во Вселенной.
«Послесвечение» Большого взрыва
Этот ранний «суп» невозможно увидеть, потому что он не мог удерживать видимый свет. «Свободные электроны заставили бы свет (фотоны) рассеиваться так же, как солнечный свет рассеивается каплями воды в облаках», — заявила NASA. Однако со временем эти свободные электроны встретились с ядрами и создали нейтральные атомы или атомы с равными положительными и отрицательными электрическими зарядами. Это позволило свету «зародиться» спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва.
Этот свет, который иногда называют «послесвечением» Большого взрыва, более правильно назвать космическим микроволновым фоном (CMB). Впервые он был предсказан Ральфом Альфером и другими учеными в 1948 году, но обнаружили его случайно, почти 20 лет спустя.
Это открытие произошло, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон (оба из Bell Telephone Laboratories в Нью-Джерси) строили радиоприемник в 1965 году. По данным NASA, они получили более высокие температуры, чем ожидалось. Сначала они думали, что аномалия возникла из-за того, что мешали экскременты голубей, поселившихся в антенне. После их уборки аномалия не исчезла. Одновременно команда Принстонского университета под руководством Роберта Дике пыталась найти свидетельства реликтового излучения и поняла, что Пензиас и Уилсон наткнулись на него во время своих странных наблюдений.
Возраст Вселенной
В настоящее время реликтовое излучение наблюдается многими исследователями и во многих миссиях космических аппаратов. Одним из самых известных проектов был спутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE), за данными которого была создана карта неба в 1990-х годах. По стопам COBE последовало несколько других миссий, таких как эксперимент BOOMERanG (воздушные наблюдения за миллиметровым внегалактическим излучением и геофизикой), зонд NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и спутник Planck Европейского космического агентства. Наблюдения последнего, впервые опубликованные в 2013 году, нанесли на карту реликтовое излучение с беспрецедентной детализацией и показали, что Вселенная старше, чем считалось ранее: 13,82 млрд лет, а не 13,7 млрд. Миссия исследовательской обсерватории продолжается, и периодически выпускаются новые карты реликтового излучения.
Однако карта породила новые загадки. Например, почему Южное полушарие оказалось более красным (теплее), чем Северное. Теория Большого взрыва говорит, что реликтовое излучение должно быть в основном одинаковым, куда бы вы ни посмотрели. Но на практике это оказалось не так.
Изучение реликтового излучения также дает астрономам подсказки относительно состава Вселенной. Исследователи считают, что большая часть космоса состоит из материи и энергии, которые невозможно зафиксировать с помощью обычных земных инструментов, что привело к названиям «темная материя» и «темная энергия». Считается, что только 5% Вселенной состоит из материи, такой как планеты, звезды и галактики.
Расширение против взрыва
Хотя Большой взрыв часто называют «взрывом», это неверное его представление. При взрыве осколки выбрасываются из центральной точки в уже существовавшее пространство. Если бы вы были в центральной точке, вы бы увидели, что все фрагменты удаляются от вас примерно с одинаковой скоростью. Но Большой взрыв был не таким. Это было скорее расширение пространства — концепция, вытекающая из уравнений общей теории относительности Эйнштейна, но не имеющая аналога в классической физике.
Это означает, что все расстояния во Вселенной растягиваются с одинаковой скоростью. Любые две галактики, разделенные расстоянием X, удаляются друг от друга с одинаковой скоростью, в то время как галактика на расстоянии 2X удаляется с удвоенной скоростью.
Продолжающееся расширение Вселенной
Вселенная не только расширяется, но делает это с ускорением. Это означает, что в далеком будущем все галактики настолько удалятся друг от друга, что для наблюдателей будет казаться, что других галактик во Вселенной нет вовсе.
«Если вы подождете достаточно долго, в конце концов далекая галактика достигнет скорости света. Это означает, что даже свет не сможет преодолеть разрыв, который открывается между этой галактикой и нами», — объясняет астроном Гарвардского университета Ави Леб.
Некоторые физики также предполагают, что Вселенная, с которой мы сталкиваемся, — лишь одна из многих. В модели «мультивселенной» разные Вселенные будут сосуществовать друг с другом, как пузыри, парящие рядом. Теория предполагает, что во время этого первого большого толчка инфляции разные части пространства-времени росли с разной скоростью. Это могло бы породить разные Вселенные с потенциально разными законами физики.
Возможно, что Большой взрыв не был первым инфляционным периодом, который пережила Вселенная. Некоторые ученые считают, что мы живем в космосе, который проходит через регулярные циклы инфляции и дефляции. Вероятно, сейчас мы просто живем в одной из таких фаз.
JWST и Большой взрыв
Телескоп — это почти машина времени, позволяющая заглянуть в далекое прошлое. Hubble показал нам галактики такими, какими они были много миллиардов лет назад. А преемник Hubble — космический телескоп James Webb — может еще глубже заглянуть в прошлое. NASA надеется, что сможет увидеть время, когда сформировались первые галактики, почти 13,6 млрд лет назад.
В отличие от Hubble, который видит в основном в оптическом диапазоне волн, JWST — это инфракрасный телескоп — имеет большое преимущество при наблюдении за очень далекими галактиками. Расширение Вселенной означает, что испускаемые ею волны растягиваются, поэтому свет, излучаемый в видимом диапазоне длин волн, на самом деле достигает нас в инфракрасном диапазоне. Вполне вероятно, благодаря James Webb мы увидим раннюю Вселенную совсем другой, чем та, которая раскрывалась нам в теоретических расчетах.
Напомним, что ранее мы объясняли, что такое световой год.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
